1 5G系統(tǒng)中前傳(Fronthaul)的含義及考慮因素 (R3-160754)在RAN3 #91bis會議的R3-160754：Fronthauling: Motivations and Constraints中，Mitsubishi Electric分析了Fronthauling的基本概念，對其動因和局限進行了簡單分析。
5G系統(tǒng)中采用C-RAN架構(gòu)，它可以通過網(wǎng)絡功能虛擬化實現(xiàn)硬件資源的共用和擴展。C-RAN下，小區(qū)間的移動性多在CU內(nèi)部完成，而不再需要通過外部接口。如果傳輸網(wǎng)提供路由和復用特性，則BBU和RRU之間不再是1對1 的關系了，它們之間可以動態(tài)影射，實現(xiàn)資源的動態(tài)復用。
C-RAN下，通過CU/DU功能切分，實現(xiàn)BBU資源的集中化，可以降低OPEX和CAPEX。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
Mitsubishi認為Fronthualing包括CU與DU之間的接口，以及支撐該接口的底層網(wǎng)絡。
“Fronthauling is a mean enabling to split RAN functions and locate them partly in a Central Office and partly distribute them. It includes the interfaces between central and distributed functions, and the underlying network that transports the interfaces.”
需要說明的是，早期規(guī)范討論過程中，CU/DU切分考慮高層和底層等多種選項。目前高層(1~3層)確定選用選項2，底層仍需進一步討論，但是物理層BBU與RRU之間的帶寬資源需求最大，因此Fronthaul多集中在分析BBU與RRU之間的傳統(tǒng)的CPRI接口。
舉例來說，目前LTE系統(tǒng)中，2x2 MIMO，20MHz小區(qū)帶寬，峰值速率170Mbps，所需的CPRI帶寬約為2.5Gbps。隨著載波數(shù)和MIMO流數(shù)的增加，CPRI帶寬資源也幾乎成倍增長。
5G系統(tǒng)中，峰值速率增加n x100倍，會導致CPRI鏈路的帶寬需求高達250Gbps。雖然可以采用傳輸壓縮，但是毋庸置疑的是，C-RAN模式下RAN功能切分對接入網(wǎng)帶寬資源的要求相當高。
2 5G系統(tǒng)中前傳(Fronthaul)帶寬計算 (R3-160986/ R3-161012)在RAN3 #91bis會議上，Mitsubishi在R3-160754及其修改稿R3-160986中，對前傳提供了明確的計算方法，提出了“614.4Mbps/10MHz/天線端口”的基本結(jié)論，并在此基礎上對不同天線端口和帶寬進行了估算分析。具體說明如下。
R3-160986中提到，如果在BBU與RRH之間進行切分，則其接口上傳送的是I/Q信號。5G系統(tǒng)中如果也采用同樣的切分方式，則計算表明，每個天線端口下，每10MHz就需要614.4Mbps的傳輸資源。當頻率帶寬和天線端口都增加時，所需的傳輸帶寬線形增加，如下表所示。
RAN架構(gòu)PHY/RF分離的最大傳輸帶寬需求舉例 R3-160986附錄A中提供了計算方法，整理如下：
傳輸帶寬計算方法：
接口帶寬峰值比特率 = 基站天線陣子數(shù) x 比特寬度 x 每個子幀中的OFDM符號數(shù) x FFT數(shù)目 X 2(I/Q支路) ? 1ms
接口帶寬峰值比特率 = 基站天線陣子數(shù) x 比特寬度 x 每個子幀中的OFDM符號數(shù) x FFT數(shù)目 X 2(I/Q支路) ? 1ms
在后續(xù)R3-161012修改稿中，在表格下方明確標注了計算方法： 接口帶寬峰值比特率 = 基站天線陣子數(shù) x 采樣頻率(與系統(tǒng)帶寬成比例) x 比特寬度(每個采樣) + 開銷
3 5G系統(tǒng)中前傳(Fronthaul)帶寬結(jié)論 (R3-162102)在RAN3 #92會議上，Ericsson在R3-162422 Clarifications on fronthaul bit rate requirements中提議，傳輸部分強調(diào)為最大理論值，且建議明確增加采樣率等備注信息，即： The calculation is made for sampling frequency of 30.72 Mega Sample per second for each 20MHz and for a Bit Width equal to 30。(譯文：計算基于20MHz，每秒30.72M的采用頻率，比特寬度為30) 此建議被采納并在TR 38801-060中體現(xiàn)了出來。
TR 38801-060中，表格題目和文字描述都有部分變化。值得注意的是，此版定型后一直沒再變過。 具體描述請參見本文最后的附錄部分。
4 TR38.801(V14.0.0)中結(jié)論在RAN3 #91bis的Mitsuibishi提案討論和修改的基礎上，結(jié)合RAN3 #92上Ericsson的提議，記錄在TR 38801-060中，并一直沿用至今。
亦即對于BBU與RRU之間的傳輸帶寬需求，自TR 38801-060定型后，一直就沒再變過。
具體描述請參見本文最后的附錄部分。
5 BBU與RRU之間CPRI接口簡介
BBU與RRU之間采用CPRI接口傳輸基帶信號。上圖中，右側(cè)無線設備控制器(REC)即指BBU，左側(cè)無線設備(RE)相當于RRU。
BBU進行基帶信號處理，并形成I/Q數(shù)據(jù)流,經(jīng)CPRI接口傳送出去。 RRU將CPRI接口上傳送的I/Q數(shù)據(jù)接收下來，并轉(zhuǎn)變成模擬信號，經(jīng)由天線發(fā)射出去。 6 LTE系統(tǒng)中CPRI接口帶寬詳細計算方法分析結(jié)合R3-160986以及TR38.801中信息，對LTE系統(tǒng)CPRI帶寬計算舉例如下。 6.1 CPRI接口帶寬計算公式接口帶寬峰值比特率 = 基站天線陣子數(shù) x 采樣頻率(與系統(tǒng)帶寬成比例) x 比特寬度(每個采樣) + 開銷
TR38.801中表格下標注的計算條件為：基于20MHz，每秒30.72M的采用頻率，比特寬度為30。
假設LTE載波帶寬為20MHz，采用2天線，則：
- 基帶帶寬：20MHz - IFFT點數(shù)：2048 - 子載波間隔：15KHz - 基帶I/Q采樣率：30.72MHz (=2048 * 15KHz) - 采樣位寬：30bit (CPRI I/Q 采樣位寬，各15比特)
簡單說明如下。
6.2 CPRI接口I/Q采樣位寬CPRI鏈路采用復數(shù)方式傳送AxC的數(shù)字化的RF信號，每個樣值都采用I/Q向量來表示。CPRI規(guī)范中，主要處理這種信號格式。I/Q樣值交織在一起形成單個word。這些word一起組成滿足采樣率和比特寬度需求的信號。 根據(jù)空口需求和上下行特性，CPRI可以采用不同的比特寬度。下行方向上，比特寬度為8到20比特，為了獲取較高的采樣速率，上行比特寬度為4到20比特。另外，I/Q采樣值較小時，也可以采用信號擴展或者采用預留比特填充的方式來對空閑位進行填充，以獲取較大的比特寬度。對于上下行采用不同比特寬度時，這種處理方法比較有用，但在CPRI上進行影射時，通常上下行都會采用相同的采樣寬度。
簡單來講，I/Q信號到CPRI接口的影射遵循以下規(guī)則：
不過通常上下行都采用15比特的采樣寬度。如華為'BBU-RRU IR接口說明書(2012-7)'中規(guī)定，下行I/Q位寬為15bit，其中業(yè)務有效I/Q數(shù)據(jù)位寬占高13bit，低2bit無效。上行I/Q位寬為15bit，無DAGC(DAGC即數(shù)字自動增益控制)。
6.3 CPRI幀結(jié)構(gòu)和幀長度LTE系統(tǒng)中，子載波間隔為15KHz，其符號長度與子載波間隔成反比，為1/(15KHz)。2048個IFFT采樣點落入一個符號內(nèi)(即1/(15KHz))，故采樣頻率相當于15KHz * 2048 = 30.72MHz。
CPRI鏈路上傳送多個基帶I/Q數(shù)據(jù)流，每個I/Q數(shù)據(jù)流對應一個載波和一個天線。AxC是指一個天線上所傳送的單個載波的I/Q數(shù)據(jù)。
CPRI基本幀長度Tc=1/fc=1/3.84MHz= 260.41667ns。一個基本幀包含16個word。其中第一個word為控制word，其余15個word為用戶面I/Q數(shù)據(jù)。每個word中8個比特。
根據(jù)單個word上影射的比特長度，CPRI可分為不同類型，對應不同的有效載荷。比如，每個word中影射8比特時，有效載荷為120bit。同理，每個word中影射16/32/64比特時，則有效載荷分別對應240/480/960比特。它們分別對應CPRI選項1/2/3/5，如下圖所示。 CPRI基本幀長度為260.41667ns(=1/3.84MHz)，故上述不同有效載荷下，對應的速率分別計算如下： 6.4 CPRI線路編碼CPRI線路編碼可以采用8B/10B或者64B/66B兩種方式。 8B/10B編碼表示將8比特的碼字影射到10比特的符號上，64B/66B同理。 8B/10B編碼的特性之一是保證DC 平衡，采用8B/10B編碼方式，可使得發(fā)送的“0”、“1”數(shù)量保持基本一致，連續(xù)的“1”或“0”不超過5位，即每5個連續(xù)的“1”或“0”后必須插入一位“0”或“1”，從而保證信號DC平衡，也就是說，在鏈路超時時不致發(fā)生DC失調(diào)。通過8B/10B編碼，可以保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串在接收端能夠被正確復原。
6.5 CPRI帶寬計算總結(jié)根據(jù)上述分析和計算結(jié)果可知，LTE帶寬為20MHz時，采用15bit的I/Q采樣位寬每AxC上I/Q采樣數(shù)據(jù)流為921.6 Mbps，添加控制字后為983.04Mbps，采用8b/10b編碼后為1.2288Gbps，對應CPRI速率選項2，亦即每個AxC可以影射到CPRI選項2模式下進行傳送。而采用2天線端口(即2x2 MIMO模式)時，則需要2.4576Gbps的CPRI帶寬。
- 基帶帶寬： 20MHz
如果考慮10MHz帶寬，則CPRI速率需求降低一半，對應TR38.801的結(jié)論：
“每個天線端口下，每10MHz就需要614.4Mbps的傳輸資源”。
另外，不同采樣位寬條件下，各個CPRI選項下所能承載的天線端口x載波(AxC)的數(shù)目有所不同。比如，CPRI選項7速率為9830.4Mbps，9/12/15比特采樣位寬下，對應的AxC分別為13/10/8。
上述計算結(jié)果中，LTE 20MHz下，2天線端口對應的CPRI帶寬為2457.6Mbps，對應選項3，亦即2個AxC可以影射到此模式中。 7 5G 新空口下CPRI接口帶寬估算5G系統(tǒng)新空口中，采用新的無線參數(shù)集。2017年3月中國移動在巴塞羅那通信展上發(fā)布的樣機規(guī)范中，對5G新空口的參數(shù)規(guī)定如下：
采用與LTE類似的計算方法，計算5G系統(tǒng)CPRI帶寬如下：
采用5G新空口參數(shù)計算，100MHz下，單天線端口所需CPRI帶寬為4.9Gbps。LTE系統(tǒng)中，10MHz下，單天線端口所需CPRI帶寬為614.4Mbps。進行對比可知，5G系統(tǒng)頻帶寬度為LTE系統(tǒng)的10倍，但是5G所需的CPRI帶寬卻只有LTE系統(tǒng)的8倍。這和5G系統(tǒng)中采用新的載波間隔和IFFT點數(shù)都有關系。 更為重要的是，5G系統(tǒng)中采用64TRX，其CPRI速率要求更高，如100MHz下約需320Gbps。 8 TR38.801中BBU與RRU之間CPRI接口帶寬計算TR38.801提供了不同天線端口和帶寬下的CPRI最大帶寬信息，如下表所示。
可以根據(jù)TR38.801中提供的結(jié)果“每個天線端口下，每10MHz就需要614.4Mbps的傳輸資源”進行驗證，也可以采用5G新空口結(jié)果進行驗證。
采用LTE計算結(jié)果估算，則10MHz下單天線端口需求614Mbps的CPRI帶寬，則2端口10MHz約需1Gbps，2端口20MHz約需2Gbps，依次類推，粗略估算。
根據(jù)5G新空口計算驗證上述結(jié)果，100MHz單天線端口下對應4915.2Mbps，則對應結(jié)果的準確信息如下，接近但絕不超過TR38.801中表格中所提供的最大值。
上表希望理解正確，如有錯誤，還請大家多加指正，多謝。
附錄：TR38.801(V14.0.0)中BBU與RRU之間傳輸帶寬需求的描述：
11.1.4.2 Transport network requirements for an example New RAN architectureAccording to TR 38.913 [5], the NR shall support up to 1GHz system bandwidth, and up to 256 antennas. A calculation relative to one of several possible transport deployments applied to a possible RAN architecture example shows that transmission between base band part and radio frequency part requires a theoretical maximum bit rate over the transport network of about 614.4Mbps per 10MHz mobile system bandwidth per antenna port. When the system bandwidth is increasing as well as the number of antenna ports, the required bit rate is linearly increasing. An example with rounded numbers is shown in the following table. Note that the figures in Table 6.1.2.2.2-1 are a maximisation of the needed bandwidth per number of antenna ports and frequency bandwidth.
Table 6.1.2.4.2-1 Examplesof maximum required bitrate on a transmission link for one possible PHY/RF based RAN architecture split
NOTE 1: Peak bit rate requirement on a transmission link = Number of BS antenna elements *Sampling frequency (proportional to System bandwidth) * bit width (per sample)+ overhead. The calculation is made for sampling frequency of 30.72 Mega Sample per second for each 20MHz and for a Bit Width equal to 30.
|
|
|
